Refrigeraciónsolarporabsorción_AMontero
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REFRIGERACIN SOLAR POR ABSORCIN:
PRINCIPIOS Y REVISIN DE LAS TECNOLOGAS
Dr. Andrs Montero-Izquierdo
26-05-2015
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Contenidos
1. Situacin energtica
2. Breve historia de la tecnologa de absorcin
3. Principios bsicos de la tecnologa de absorcin
4. Estado del arte de sistemas de refrigeracin solar por
absorcin
5. Simulacin de sistemas
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
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1. SITUACIN ENERGTICA
1.1 Consumo de energa por sectores
1971-2007: Crecimiento del 1,7% (transporte, edificaciones e industria)
2007-2050: Crecimiento del 1,3%
Transporte: 1,6%
Industria: 1,3%
Edificaciones: 1,1%
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Nota: A partir del 2007 es una proyeccin
(escenario base: no se incorporan polticas
energticas ni de cambio climtico). Energy
Technology Perspectives 2010. IEA
OECD
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1. SITUACIN ENERGTICA
1.2 Edificaciones
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Mundo:
1971-2007: Crecimiento del 1,6%
Residencial: 1,4%
Servicios: 2,2%
Europa (EU-27): En 2007, el consumo de
electricidad en ambos sectores represent
el 55% del consumo total elctrico.
1999-2004: Servicios: 15,6%
Residencial: 14%
Energy Technology Perspectives 2010. IEA
Espaa: (valores estimados para el ao
2010)
17.3% 20.6%
22.0%
3.9%
3.3%27.4%
31.1%
47.1%
26.2%
1.0%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Services ResidentialF
ina
l e
ne
rgy c
on
su
mp
tio
n [
% ]
Refrigeration
Heating
Hot water
Lightning
Equipment
Plan de Ahorro y Eficiencia Energtica 2011-2020. IDAE 2011
-
2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.1 Tecnologa de absorcin*
El fundamento de la refrigeracin por absorcin se conoce desde hace muchos aos.
En 1777, el escocs Gerald Nairne experiment con cido sulfrico y agua para producir hielo.
En 1810, John Leslie, profesor de Matemticas y Fsica de la Universidad de Edimburgh, construy un aparato basado en este principio.
Aos ms tarde, el francs Edmond Carr tom estas ideas y desarroll un motor accionado por vapor que se produca en un equipo de absorcin funcionando con
una mezcla de agua y cido sulfrico.
En 1858, su hermano Ferdinand Carr patent la primera mquina de refrigeracin de amonaco/agua para la fabricacin de hielo. Entre las futuras aplicaciones se
encuentran:
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
o elaboracin de hielo
o aire acondicionado
o fabricacin de vino y cerveza
o desalinizacin de agua de mar
o concentracin de lquidos para la
congelacin y separacin del agua
o extraccin de parafinas a partir de petrleo
o concentracin de soluciones para la
obtencin de sales * Tomado: Fundamentos termodinmicos (A.Coronas)
-
2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.1 Tecnologa de absorcin
A partir de 1880 los equipos de compresin de vapor inventados por el alemn Carl von Linde empezaron a reemplazar a las de absorcin, y a finales de siglo,
prcticamente ya no quedaba ninguna aplicacin con mquinas de absorcin.
En los aos 1920 (despus de la Primera Guerra Mundial) renace el inters por las mquinas de absorcin debido al encarecimiento y escasez de la energa. Edmond
Altenkirch sent en esta poca las bases de la transformacin del calor.
Entre 1920 y 1925, Borsig Company en Berlin (Alemania) construy diferentes mquinas segn los diseos de Altenkirsh (la mayor mquina de refrigeracin de la
poca de ms de 4MW para refrigerar a -20C).
Rpidamente, aparecen nuevos fabricantes en Gran Bretaa, Holanda, Blgica, Italia (Maiuri Corporation), Rusia.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
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2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.1 Tecnologa de absorcin
En 1922, dos jvenes estudiantes de ingeniera, Baltzar von Platen y Carl Munters del Royal
Institute of Technology en Estocolmo,
presentaron un proyecto final de estudios que
despert mucho inters. Se trataba de una
mquina de refrigeracin de absorcin que
funcionaba con calor procedente de electricidad
o combustin de gas, propano o keroseno .
En 1923 se crean dos empresas que comienzan a desarrollar el nuevo producto.
Al poco tiempo Electrolux se interes rpidamente por el nuevo producto, compr las
dos empresas y en 1925 introduce el primer
frigorfico en el mercado. El primer modelo con
una capacidad de 91 litros utilizaba agua para
disipar el calor.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
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2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.1 Tecnologa de absorcin
En 1927, se asocia con la empresa americana SERVEL para construir y comercializar estos frigorficos en Estados Unidos.
En 1930 se introduce la primera unidad condensada por aire. En 1936 Electrolux ya haba fabricado el primer milln de equipos convirtiendo el
equipo en habitual en los hogares de la clase media.
En 1950 los refrigeradores mejoran de forma significativa y funcionan con un 30% menos de energa. La competencia de la tecnologa de refrigeracin por
compresor se endurece. Se presenta el primer refrigerador para caravanas.
Para 1960 la refrigeracin por absorcin ve un renacimiento debido al aumento de la demanda de refrigeradores para caravanas. AB Electrolux funda una filial en
los EE.UU. Dometic Sales Corporation para comercializar refrigeradores para
caravanas y otros equipos recreativos bajo la marca Dometic.
En 1980 se da una gran demanda de refrigeradores para vehculos de recreo tras la primera crisis del petrleo.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
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2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin*
En 1929, el Dr. Taylor para Servel realiza estudios acerca de las propiedades ms favorables de la combinacin refrigerante-absorbente.
En 1937, el Dr. Zellhoeffer de Williams Oil-O-Matic Corporation extiende la bsqueda de fluidos potencialmente interesantes para los sistemas de absorcin.
En 1941, la American Gas Association con apoyo industrial lanz el primer programa de I&D en aire acondicionado a gas. Empresas fabricantes pioneras: Servel, Carrier, Mills,
Williams. El primer equipo operando con BrLi se instal en 1949 construido por SERVEL.
CARRIER construye el primer equipo de gran capacidad para aplicaciones de aire
acondicionado a gas del sector comercial.
En los aos 60 las plantas enfriadoras de agua por absorcin haban ganado una buena cuota de mercado en el mbito residencial, situacin que se mantuvo durante una dcada.
La "crisis energtica" de los aos 70 llev al gobierno de los EE.UU. a limitar el uso del gas natural como combustible debido a los esperados dficits de suministro. Aunque dichas
previsiones nunca se materializaron, el dao a la industria de la absorcin ya estaba hecho.
Las tres compaas norteamericanas constructoras de mquinas de absorcin vieron como
su negocio se hunda y la produccin de equipos de absorcin se redujo a menos del 10 %
de los niveles de produccin anteriores.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
* Tomado: Fundamentos termodinmicos (A.Coronas)
-
2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin
Japn, a diferencia de EE.UU., apost por la climatizacin por absorcin debido al elevado costo
de la energa elctrica. Japn promocion la
utilizacin del gas natural e inici un agresivo
programa para estimular la investigacin en
absorcin.
En los aos 1960, los fabricantes japoneses fueron los primeros en desarrollar e introducir las
enfriadoras de doble efecto de llama directa
(1967) , que hoy en da contabilizan la mayora de
las ventas de enfriadoras de agua a absorcin en el
mundo.
Las compaas japonesas instalaron enfriadoras de agua por absorcin en complejos de oficinas,
hospitales, centros recreativos, distritos y escuelas.
Las enfriadoras de agua por absorcin fueron
consideradas rpidamente como unos sistemas de
acondicionamiento de aire de calidad.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Fuente: History of U.S. market in chillers
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2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN
2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin
En los aos 70 y 80, se comercializaron en los Estados Unidos las enfriadoras de agua de amonaco-agua y los equipos del tipo bombas de calor.
Entre los aos 80 y 90, tuvo lugar un gran auge de esta tecnologa debido a: o un fuerte impacto de la problemtica medioambiental (CFCs).
o la instalacin de plantas de cogeneracin en la industria y el sector
terciario.
o la utilizacin de calor residual para accionar equipos de absorcin.
Tambin en estos ltimos aos el gran crecimiento econmico que de forma continuada est experimentando China, y la falta de energa elctrica
suficiente, explican el gran auge que ha tenido esta tecnologa con la
implantacin masiva de las mquinas de refrigeracin por absorcin en el
sector de la climatizacin de edificios as como en el industrial.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
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3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.1 Ciclo de compresin mecnica de vapor
El ciclo de compresin mecnica de vapor se basa en el principio de enfriar mediante
la evaporacin de un fluido refrigerante (efecto frigorfico) que tiene lugar en el
evaporador gracias al calor extrado del medio a enfriar; estos vapores de refrigerante
son a continuacin presurizados de forma que puedan ser condensados en el
condensador cediendo el calor al medio ambiente.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
QC
C G
QE
Vapor
refrigerante
Vapor
refrigerante
Lquido
refrigerante
Solucin
concentrada
E A
Solucin
diluida
VE ICS
B
QG
QA
QC
C
QE
Lquido
refrigerante
E
VE CMW
Compresor
mecnico
Compresor trmico
-
3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.2 Ciclo de absorcin
En el ciclo de absorcin, el compresor mecnico es reemplazado por un compresor
trmico, el cual consta de un generador (G), un absorbedor (A), un intercambiador de
calor de solucin (ICS), una bomba de solucin (B) y una vlvula de expansin. El
intercambiador de calor de solucin se requiere para mejorar la eficiencia energtica
de forma que la solucin procedente del absorbedor es precalentada por la solucin
que sale del generador con el consiguiente ahorro de energa en la energa trmica
consumida en el generador y la disminucin de la disipacin de calor en el
absorbedor.
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
QC
C G
QE
Vapor
refrigerante
Vapor
refrigerante
Lquido
refrigerante
Solucin
concentrada
E A
Solucin
diluida
VE ICS
B
QG
QA
QC
C
QE
Lquido
refrigerante
E
VE CMW
Compresor
mecnico
Compresor trmico
QC
C G
QE
Vapor
refrigerante
Vapor
refrigerante
Lquido
refrigerante
Solucin
concentrada
E A
Solucin
diluida
VE ICS
B
QG
QA
QC
C
QE
Lquido
refrigerante
E
VE CMW
Compresor
mecnico
Compresor trmico
Ciclo de compresin
Ciclo de absorcin H2O/LiBr
Balance de energa
+ = +
Coeficiente de operacin
=
-
3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.3 Clasificacin: equipos de refrigeracin por absorcin
Mtodo de activacin o Directa o de llama directa
o Indirecta
Fluido de trabajo (ms utilizados) o Agua / Bromuro de litio
o Amoniaco / Agua
Configuracin o Simple efecto
o Doble efecto
o Triple efecto
Mtodo de condensacin o Por aire
o Por agua
Capacidad o Alta potencia (> 500 kW)
o Media potencia (>50 kW y < 500 kW)
o Baja potencia (< 50 kW)
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Fuente: Solar-powered systems for cooling,
dehumidification and air-conditioning. Grossman, 2002.
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3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.4 Propiedades de los fluidos de trabajo
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Propiedad Agua/Bromuro de Litio Amoniaco/Agua
Refrigerante
Alto calor latente Excelente Buena
Presin de vapor moderada Demasiado baja Demasiado alta
Baja temperatura de congelacin Aplicacin limitada Excelente
Baja viscosidad Buena Buena
Absorbente
Presin de vapor baja Excelente Baja
Baja viscosidad Buena Buena
Mezcla
No llega a solidificarse Aplicacin limitada Excelente
Baja toxicidad Buena Baja
Alta afinidad entre refrigerante y
absorbente Buena Buena
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3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.5 Configuraciones: Doble efecto (H2O/LiBr)
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Doble efecto, flujo en paralelo Doble efecto, flujo en serie Doble efecto, flujo en serie invertido
QC
C
QE
E A
VE ICSB
B
QA
CA GA
VE ICSA
B
QG
QC
CB
QE
E A
VE
B
QA
G
VE
QG
GB
ICSB
CA
ICSA
GB CB
E A
VE ICSB
B
QA
CA GA
VE ICSA
B
QG
GB
-
3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.6 Configuraciones: Triple efecto (H2O/LiBr)
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
ED SHX
ED SHX
HC
QC LC
EQE
P
P
A QA
QGHG
LG
ED SHX
MG
P
MC
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3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.7 Configuraciones: Simple efecto (NH3/H2O)
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
SHX
E A
C
1
10
2 5
6
48
9
14
17
16
15
13
12
11
7
3 G
Rectifier
-
3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.8 Configuraciones: GAX (NH3/H2O)
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Generator Absorber heat eXchanger QC
EQE
C R
P
G QG
A
RHX
QA
QINT
-
3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN
3.9 Configuraciones: Parmetros
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Parmetros / Fluidos H2O / LiBr NH3 / H2O
Efecto SE DE TE SE GAX
Capacidad frigorfica
nominal [kW] 4,5-7000 17-20000 530-1400 12-1000 10-250
COPth 0,60-0,75 1,10-1,30 1,40-1,70 0,50-0,70 0,70-0,90
Rango de temperatura
de activacin [C] 70-120 120-170 200-250 70-140 150-220
Fuente: Modelling of small capacity absorption chillers driven by solar thermal energy or waste heat. JLabus, 2011
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4. ESTADO DEL ARTE: RSA
4.1 Enfriadoras de absorcin para refrigeracin solar
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Fabricante Pas Tipo Fluido de
trabajo
Capacidad
nominal
[kW]
COP
Fuente
activacin
[C]
Aplicacin
AGO Alemania SE NH3-H2O 50 0,61 HW/95 R
Pink Austria SE NH3-H2O 10/12 0,63 HW/85 AC/R
Robur Italia SE NH3-H2O 17,7/12,8 0,70/0,53 PHW AC/R
Solarice Alemania SE NH3-H2O 25/40 0,60 HW/80 R
Climatewell Suecia SE+ALM H2O-LiCl 10 0,68 HW/110 AC
EAW Wergcall Alemania SE H2O-LiBr 15/30 0,75 HW/90 AC
Sonnenklima Alemania SE H2O-LiBr 10 0,78 HW/75 AC
Thermax India SE H2O-LiBr 17,5/35 0,70 HW/90 AC
Yazaki Japn SE H2O-LiBr 17,6/35 0,70 HW/88 AC
Broad China DE H2O-LiBr 16/115 1,20 PHW/160 AC
Broad China DE H2O-LiBr 174 1,34 PHW/180 AC
Thermax India TE H2O-LiBr 100 1,70 PHW/210 AC
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4. ESTADO DEL ARTE: RSA
4.2 Sistemas de refrigeracin solar para edificios
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Sitio Capacidad
instalada [kW]
Tipo de
chiller
rea apertura
[m2]
Captador
solar Aplicacin Ao
Raleigh (EE.UU.) 176 DE 470 PTC Oficina 2002
Dalaman (Turqua) 140 DE 180 PTC Hotel 2004
Gebze (Turqua) 260 DE 324 PTC Oficina, aulas 2006
Sevilla (Espaa) 174 DE 352 LFC Oficina, aulas 2008
Pittsburg (EE.UU.) 16 DE 52 PTC Experimental 2008
Brisbane (Australia) 295 DE 570 PTC Hospital 2008
Long Island (EE.UU.) 348 DE 348 PTC Industria 2009
Masdar (UAE) 176 DE 334 | 132 PTC | LFC Oficina 2010
Lusail (Qatar) 750 DE 1408 LFC Estadio 2011
Gurgaon (India) 100 TE 288 PTC Experimental 2011
Antalaya (Turqua) 250 DE 423 PTC Supermercado 2008
Hermosillo (Mxico) 291 SE 1536 PTC Oficina 2013
-
4. ESTADO DEL ARTE: RSA
4.2 Sistemas de refrigeracin solar para edificios
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
-
5. SIMULACIN DE SISTEMAS
5.1 Software
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
EBSILON Professional
INSEL
TRNSYS
-
5. SIMULACIN DE SISTEMAS
5.2 Simulacin
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
Ubicacin: Sevilla (Espaa)
Coordenadas: 37.4N, 5.9W
DNI: 7.5 kWhm-2da-1 (Mayo-Octubre)
DNI: 5.5 kWhm-2da-1 (anual)
Parmetros Compon. Valor Unidades
Coef. de transf.
de calor
Pared ext. 0,82
Wm-2K-1 Techo 0,45
Piso 0,52
Ventanas
(30%) 4,43
Parmetros geomtricos
Dimensiones
Longitud 48 m
Ancho 24 m
Altura 6 m
Factor
geometra 2,8 m3m-2
Nmero de
pisos 2 -
rea til 2304 m2
Tasa de cambio
de aire 0,4 h-1
-
5. SIMULACIN DE SISTEMAS
5.2 Simulacin
Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
ETC+SE/AC LFC+DE/AC PTC+DE/AC CS
Ele
ctri
city
co
nsu
mp
tio
n [
kW
h ]
Cooling system's configurations - Seville
CT fan Pump 1 Pump 2 Pump 3 Pump 4 Pump 5 Chiller_comp
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
ETC+SE/AC LFC+DE/AC PTC+DE/AC
CO
P /
So
lar
fra
ctio
n
An
nu
al
them
al
ener
gy
co
nsu
mp
tio
n [
MW
h ]
Solar cooling configurations - Seville
Solar system Auxiliar system COP Solar fraction
Type
1288
Colle
ctor
Type709
Pipe
Type709
Pipe
Type110
Pump1
Type91
Heat
exchanger
Type709
Pipe
Type81X
Abs. chiller
Type709
Pipe
Type709
Pipe
Type4a
Tank 1
Type110
Pump2
Type11h
Tee piece
Type110
Pump3
Type6
NG boilerType709
Pipe
Type110
Pump5 Type510
Cooling tower
Type110
Pump4
Type4a
Tank 2
Type709
Pipe
Type709
Pipe
Type110
Pump
Type682
Cooling
load
Type11f
Flow
diverter